stringtranslate.com

Стабильное распределение количества

В теории вероятностей стабильное распределение количества является сопряженным априорным распределением одностороннего стабильного распределения . Это распределение было обнаружено Стивеном Лином (китайский: 藺鴻圖) в его исследовании дневных распределений S&P 500 и VIX в 2017 году . [1] Семейство стабильных распределений также иногда называют альфа-стабильным распределением Леви , в честь Поля Леви , первого математика, который его изучал. [2]

Из трех параметров, определяющих распределение, параметр устойчивости является наиболее важным. Устойчивые распределения счетов имеют . Известный аналитический случай связан с распределением VIX (см. раздел 7 [1] ). Все моменты конечны для распределения.

Определение

Его стандартное распределение определяется как

где и

Его семейство масштабов местоположения определяется как

где , , и

В приведенном выше выражении есть одностороннее устойчивое распределение , [3] которое определяется следующим образом.

Пусть — стандартная устойчивая случайная величина , распределение которой характеризуется соотношением , тогда имеем

где .

Рассмотрим сумму Леви , где , тогда имеет плотность , где . Положим , получим без константы нормировки.

Причину, по которой это распределение называется «стабильным счетом», можно понять из соотношения . Обратите внимание, что это «счет» суммы Леви. При фиксированном , это распределение дает вероятность совершения шагов для прохождения одной единицы расстояния.

Интегральная форма

На основе интегральной формы и имеем интегральную форму как

На основе двойного синусоидального интеграла, приведенного выше, это приводит к интегральной форме стандартной функции распределения:

где - интегральная функция синуса.

Представительство Райта

В разделе «Представление ряда» показано, что устойчивое распределение счетов является частным случаем функции Райта (см. раздел 4 в [4] ):

Это приводит к интегралу Ганкеля: (на основе (1.4.3) из [5] )

где Ha представляет собой контур Ганкеля .

Альтернативный вывод – лямбда-разложение

Другой подход к получению устойчивого распределения количества состоит в использовании преобразования Лапласа одностороннего устойчивого распределения (раздел 2.4 [1] ).

где .

Пусть , и можно разложить интеграл в левой части как произведение стандартного распределения Лапласа и стандартного устойчивого распределения счета,

где .

Это называется «лямбда-разложением» (см. раздел 4 [1] ), поскольку LHS в предыдущих работах Лихна именовалось «симметричным лямбда-распределением». Однако у него есть несколько более популярных названий, таких как « экспоненциальное распределение мощности » или «обобщенное распределение ошибок/нормальное распределение», часто упоминаемое при  . Это также функция выживания Вейбулла в технике надежности .

Лямбда-разложение является основой структуры доходности активов по устойчивому закону Лина. LHS — это распределение доходности активов. В RHS распределение Лапласа представляет лепкуртотический шум, а стабильное распределение счета представляет волатильность.

Стабильное распределение Vol

Вариант стабильного распределения количества называется стабильным распределением объема . Преобразование Лапласа может быть повторно выражено в терминах гауссовой смеси (см. раздел 6 в [4] ). Оно выводится из лямбда-разложения выше путем замены переменной таким образом, что

где

Это преобразование называется обобщенным преобразованием Гаусса, поскольку оно обобщает преобразование Гаусса-Лапласа, которое эквивалентно .

Связь с гамма- и пуассоновским распределениями

Параметр формы гамма-распределений и распределений Пуассона связан с обратной величиной параметра устойчивости Леви . Верхняя регуляризованная гамма-функция может быть выражена как неполный интеграл от

Заменяя разложением и выполняя один интеграл, имеем:


Возвращаясь к , приходим к разложению в терминах устойчивого количества:

Дифференцируя по , приходим к искомой формуле:

Это в форме распределения произведения . Термин в правой части связан с распределением Вейбулла формы . Следовательно, эта формула связывает стабильное распределение счетов с функцией плотности вероятности гамма-распределения ( здесь ) и функцией массы вероятности распределения Пуассона ( здесь , ). А параметр формы можно рассматривать как обратный параметру устойчивости Леви .

Связь с распределениями Хи и Хи-квадрат

Можно показать, что степени свободы в распределениях хи и хи-квадрат связаны с . Таким образом, первоначальная идея рассмотрения в качестве целочисленного индекса в лямбда-разложении здесь оправдана.

Для распределения хи-квадрат это просто, поскольку распределение хи-квадрат является частным случаем гамма-распределения , в том, что . И, как следует из вышесказанного, параметр формы гамма-распределения равен .

Для распределения хи мы начинаем с его CDF , где . Дифференцируем по , имеем его функцию плотности как

Эта формула связана с термином .

Связь с обобщенными гамма-распределениями

Обобщенное гамма-распределение — это распределение вероятностей с двумя параметрами формы и является супермножеством гамма-распределения , распределения Вейбулла , экспоненциального распределения и полунормального распределения . Его CDF имеет вид . (Примечание: мы используем вместо для согласованности и во избежание путаницы с .) Дифференцируем по , приходим к формуле распределения произведения:

где обозначает PDF обобщенного гамма-распределения, CDF которого параметризована как . Эта формула связана с через член. Член является экспонентой, представляющей вторую степень свободы в пространстве параметров формы.

Эта формула является единственной для случая распределения Вейбулла, поскольку должна быть единицей для ; но для того , чтобы существовать, должна быть больше единицы. Когда , является дельта-функцией, и эта формула становится тривиальной. Распределение Вейбулла имеет свой особый способ разложения следующим образом.

Подключение к распределению Вейбулла

Для распределения Вейбулла , CDF которого равен , его параметр формы эквивалентен параметру устойчивости Леви .

Аналогичное выражение распределения продукта может быть получено таким образом, что ядро ​​будет либо односторонним распределением Лапласа , либо распределением Рэлея . Оно начинается с дополнительной функции распределения, которая получается из лямбда-разложения:

Взяв производную от , мы получаем форму распределения произведения распределения Вейбулла PDF как

где и . ясно, что из условий и .

Асимптотические свойства

Для устойчивого семейства распределений важно понимать его асимптотическое поведение. Из [3] для малых ,

Это подтверждает .

Для больших ,

Это показывает, что хвост экспоненциально затухает на бесконечности. Чем больше , тем сильнее затухание.

Этот хвост имеет форму обобщенного гамма-распределения , где в его параметризации , , и . Следовательно, он эквивалентен , чья CDF параметризована как .

Моменты

N момент является -м моментом . Все положительные моменты конечны. Это в некотором роде решает сложную проблему расходящихся моментов в устойчивом распределении. (См. раздел 2.4 [1] )

Аналитическое решение моментов получается с помощью функции Райта:

где (См. (1.4.28) из [5] )

Таким образом, среднее значение равно

Дисперсия равна

А самый низкий момент — при применении .

N - й момент устойчивого распределения объема равен

Функция создания момента

MGF можно выразить функцией Фокса-Райта или H-функцией Фокса :

В качестве проверки, в ( см. ниже) можно расширить по Тейлору до .

Известный аналитический случай – квартик стабильный счет

Когда , — распределение Леви , которое является обратным гамма-распределением. Таким образом, — смещенное гамма-распределение формы 3/2 и масштаба ,

где , .

Его среднее значение равно , а его стандартное отклонение равно . Это называется «квартическим стабильным распределением счетов». Слово «квартическое» происходит от предыдущей работы Лина по лямбда-распределению [6] , где . В этой настройке многие грани стабильного распределения счетов имеют элегантные аналитические решения.

Центральные моменты p равны . CDF равна , где — нижняя неполная гамма-функция . А MGF равна . (См. раздел 3 [1] )

Частный случай, когда α → 1

По мере увеличения пик распределения становится острее. Частным случаем является случай . Распределение ведет себя как дельта-функция Дирака ,

где , и .

Аналогично, стабильное распределение объема при также становится дельта-функцией,

Представление серии

На основе представления ряда одностороннего устойчивого распределения имеем:

.

Это последовательное представление имеет две интерпретации:

Доказательство получено с помощью формулы отражения гамма-функции: , которая допускает отображение: в . Представление Райта приводит к аналитическим решениям для многих статистических свойств устойчивого распределения счетов и устанавливает еще одну связь с дробным исчислением.

Приложения

Стабильное распределение подсчета может достаточно хорошо представлять дневное распределение VIX. Предполагается, что VIX распределен как с и (см. раздел 7 [1] ). Таким образом, стабильное распределение подсчета является маргинальным распределением первого порядка процесса волатильности. В этом контексте называется «половой волатильностью». На практике VIX редко падает ниже 10. Это явление оправдывает концепцию «половой волатильности». Пример подгонки показан ниже:

Ежедневное распределение VIX и соответствие стабильному количеству

Одна из форм SDE с возвратом к среднему значению для основана на модифицированной модели Кокса–Ингерсолла–Росса (CIR) . Предположим, что это процесс волатильности, у нас есть

где так называемый "vol of vol". "vol of vol" для VIX называется VVIX , который имеет типичное значение около 85. [8]

Это SDE аналитически поддается обработке и удовлетворяет условию Феллера, поэтому никогда не опустится ниже . Но есть тонкая проблема между теорией и практикой. Было около 0,6% вероятности, что VIX действительно опустился ниже . Это называется «перетеканием». Чтобы решить эту проблему, можно заменить квадратный корень на , где обеспечивает небольшой канал утечки для дрейфа немного ниже .

Чрезвычайно низкое значение VIX указывает на очень благодушный рынок. Таким образом, условие перелива, , несет определенное значение - когда оно происходит, оно обычно указывает на затишье перед бурей в деловом цикле.

Генерация случайных величин

Как показывает модифицированная модель CIR выше, для моделирования последовательностей случайных величин стабильного количества требуется другой входной параметр . Стохастический процесс возврата к среднему принимает форму

который должен производить то, что распределяется как . И это указанное пользователем предпочтение того, как быстро должно меняться.

Решая уравнение Фоккера-Планка , решение для в терминах имеет вид

Его также можно записать как отношение двух функций Райта,

При этот процесс сводится к модифицированной модели CIR, где . Это единственный частный случай, когда — прямая линия.

Аналогично, если асимптотическое распределение имеет вид , то решение, обозначенное ниже, имеет вид

При , он сводится к квадратному многочлену: .

Стабильное расширение модели CIR

Ослабляя жесткую связь между термином и приведенным выше термином, можно построить устойчивое расширение модели CIR как

которая сводится к исходной модели CIR при : . Таким образом, параметр контролирует скорость возврата к среднему, параметр местоположения устанавливает, где находится среднее, является параметром волатильности, а является параметром формы для устойчивого закона.


Решая уравнение Фоккера-Планка , получаем решение для функции плотности вероятности :

Чтобы понять это решение, рассмотрим асимптотически для больших , хвост по-прежнему имеет форму обобщенного гамма-распределения , где в его параметризации , , и . Он сводится к исходной модели CIR при , где с и ; следовательно .

Дробное исчисление

Связь с функцией Миттаг-Леффлера

Из раздела 4 [9] обратное преобразование Лапласа функции Миттаг-Леффлера имеет вид ( )

С другой стороны, Поллард (1948) дал следующее соотношение [7]:

Таким образом , мы получаем связь между стабильным распределением счетов и функцией Миттаг-Леффтера:

Это соотношение можно быстро проверить в точке , где и . Это приводит к известному результату квартикального стабильного счета:

Связь с дробным по времени уравнением Фоккера-Планка

Обычное уравнение Фоккера-Планка (FPE) имеет вид , где — пространственный оператор Фоккера-Планка, — коэффициент диффузии , — температура, — внешнее поле. Дробное по времени FPE вводит дополнительную дробную производную, такую ​​что , где — дробный коэффициент диффузии.

Пусть в , мы получаем ядро ​​для дробного по времени FPE (уравнение (16) из [10] )

откуда дробная плотность может быть рассчитана из обычного раствора через

Так как посредством замены переменной , то указанный выше интеграл становится распределением произведения с , аналогично концепции «лямбда-разложения», и масштабированием времени :

Здесь интерпретируется как распределение примеси, выраженное в единицах , вызывающее аномальную диффузию .


Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcdefg Лихн, Стивен (2017). «Теория доходности активов и волатильности при стабильном законе и стабильном лямбда-распределении». SSRN  3046732.
  2. ^ Поль Леви, Исчисление вероятностей, 1925 г.
  3. ^ ab Penson, KA; Górska, K. (2010-11-17). "Точные и явные плотности вероятности для односторонних распределений Леви". Physical Review Letters . 105 (21): 210604. arXiv : 1007.0193 . Bibcode :2010PhRvL.105u0604P. doi :10.1103/PhysRevLett.105.210604. PMID  21231282. S2CID  27497684.
  4. ^ ab Lihn, Stephen (2020). «Стабильное распределение количества для индексов волатильности и пространственно-временная обобщенная стабильная характеристическая функция». SSRN  3659383.
  5. ^ abc Mathai, AM; Haubold, HJ (2017). Дробное и многомерное исчисление . Springer Optimization and Its Applications. Том 122. Cham: Springer International Publishing. doi : 10.1007/978-3-319-59993-9. ISBN 9783319599922.
  6. ^ Лихн, Стивен ХТ (26.01.2017). «От улыбки волатильности к вероятности, нейтральной по отношению к риску, и решение в замкнутой форме функции локальной волатильности». SSRN  2906522.
  7. ^ ab Поллард, Гарри (1948-12-01). "Полностью монотонный характер функции Миттаг-Леффлера Ea(−x)". Бюллетень Американского математического общества . 54 (12): 1115–1117. doi : 10.1090/S0002-9904-1948-09132-7 . ISSN  0002-9904.
  8. ^ "УДВОЙНИТЕ УДОВОЛЬСТВИЕ С индексом VVIX CBOE" (PDF) . www.cboe.com . Получено 09.08.2019 .
  9. ^ Саксена, РК; Матай, АМ; Хаубольд, Х.Дж. (01.09.2009). «Функции Миттаг-Леффлера и их приложения». arXiv : 0909.0230 [math.CA].
  10. ^ Баркай, Э. (29.03.2001). «Дробное уравнение Фоккера-Планка, решение и применение». Physical Review E. 63 ( 4): 046118. Bibcode : 2001PhRvE..63d6118B. doi : 10.1103/PhysRevE.63.046118. ISSN  1063-651X. PMID  11308923. S2CID  18112355.

Внешние ссылки